CN102104577B - 异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统与方法，该方式是将通信信道带宽划分成一个子带或者多个子带，每个子带都进行频率和幅度的联合异步相对调制；该系统包括发送机和接收机，发送机的多个码元判决单元分别与发送运算控制单元的多个输入端连接，多个载波生成单元连接在发送运算控制单元的多个输出端与多个无线发射单元的输入端之间，频率幅度存储单元分别与多个载波生成单元的输入端以及发送运算控制单元连接，频率幅度判决单元分别与频率幅度存储单元与多个发送运算控制单元的输入端连接。本发明将直接数字频率合成技术和高精度频率估计技术通过硬件结合，充分利用各自的优点，实现高可靠性的抗多普勒频移和抗长时延的通信。

Description

异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统与方法

技术领域

本发明涉及数字通信中频率及幅度联合调制，具体涉及一种抗多普勒频移和抗长时延的异步多子带频率及幅度联合调制解调方法。

背景技术

在无线通信系统中，当发送者或接收者在运动中通信时，接收者接收信号的频率会发生变化，称为多普勒(Doppler)效应，这是任何波动过程都具有的特性。

多普勒频移的大小是反映信道特性变化快慢的因素之一，多普勒频移越大，信道变化越快，信号的快衰落越严重。在大的多普勒频移环境下，由于发送者或接收者的快速移动，信号在频域上产生显著的频移扩散，从而在时域上引起信号时间选择性衰落。时间选择性衰落带来的一个主要问题是容易破坏子载波间的正交性，从而引起子载波间干扰(ICI)和在信道跟踪时造成不准确。

多普勒频移是无线通信系统中普遍存在但又难以解决的问题，尤其在高速移动或复杂易变环境下，克服多普勒频移的影响更为重要。

在卫星和深空通信中，大的多普勒频移和长时延对通信过程都产生非常坏的后果。卫星通信中，由于地球自身的公转、自转和航天器的轨道运动，因而接收机端和发送机端之间存在相对运动，相对运动的角速度和径向速度对通信有不同的影响。角速度主要影响接收机端天线对发送机端的搜索和跟踪，而径向速度将使接收信号频率产生多普勒频移。另外，在大多数情况下，通信对象的运动并不是匀速的，这又造成接收信号多普勒频率的不断变化，使信号接收更加困难。例如，低轨道(LEO，Low Earth Orbit)卫星由于卫星与地面终端之间的相对运动，多普勒频移多达几十KHz。典型的LEO卫星可具有相对于用户终端7km/s的速度，发射机频率为2.5GHz，多普勒频移多达58KHz。此外，遥远的通信距离造成的长时延对同步通信也会带来巨大的困难。多数情况下低轨系统往返时延是40到50毫秒，中轨系统是120到260毫秒，地球同步卫星轨道大约550毫秒。若考虑星间路由选择、星上处理以及缓存等因素的影响时往返时间更加显著，而在星际骨干网中往返时延更高。例如：从地球到火星的距离在6000万公里以上，传输的往返时延从8到40分钟之间，其它如木星和冥王星到地球的往返时延范围分别是81.6到133.3分钟和593.3到2044.4分钟之间。总之，卫星通信和深空通信中存在的大的多普勒频移和长时延都对现有的通信调制方式提出挑战。

除了高速移动环境会产生严重的多普勒频移问题，在复杂易变的水声通信中也会存在严重的多普勒频移问题。水声通信中由于收发平台间相对运动、海流(如潮汐、内波、漩涡等)的影响、海面运动引起的散射、海水中的信号衰落等会引起多径信号的多普勒扩展。当水质一定时，多普勒频移与调制载波频率以及移动台的移动速度都成正比。此外，水声通信的通信载体——超声波——在水中的传输速度是1500m/s，中短距离的通信都会产生比较大的往返时间，故同步通信系统不适合水下通信环境。为了克服长时延的影响，需要一种异步水声通信系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于无线通信系统的高速率、低误码率的异步多子带频率及幅度联合调制的数字通信系统及方法，消除多普勒频移的影响，实现多普勒快衰落环境的高可靠性通信，降低系统的平均误码率，本发明采取的是自同步方法，适用于长时延异步通信系统。

本发明的目的采用以下技术方法实现：

一种异步多子带频率及幅度联合调制数字通信方法，其特征在于：将通信信道带宽划分成一个子带或者多个子带，划分的子带总数记为N，N为整数且N≥1；划分成多个子带时，N≥2，相邻子带频率留有保护带，保护带大小需满足公式(1)：

$f_{n+1}-f_n>[\frac{1+{\mathrm{\α}}_{\max }}{1-{\mathrm{\α}}_{\max }}\·\frac{\left({1+\mathrm{\δ}}_{n\max }\right)(1+{\mathrm{\δ}}_{n+1\max })}{(1-{\mathrm{\δ}}_{n\max })(1-{\mathrm{\δ}}_{n+1\max })}-1]f_n---\left(1\right)$

，n＝1，L，N-1

其中，α_max是信道中多普勒频移因子的最大值，由实际测量得出；δ_nmax是第n子带的最大的相对调频因子，0＜δ_nmax＜1；

M_n1是第n子带实现的频率调制进制数，M_n1取2、4、8和16中的一个值；f_n是通信系统第n子带设定的参考载波频率，通信双方在约定好第一子带的参考载波频率f₁的大小之后，根据公式(1)算出第二子带参考载波频率f₂，第三子带参考载波频率f₃，…，第N子带参考载波频率f_N的取值；

每个子带都进行频率和幅度的联合异步相对调制；对于任意一个子带的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信方法，包括以下步骤：

步骤1，在发射机端，码元判决单元在发送运算控制单元的控制下对码元数据进行M_n进制码元判决，M_n表示第n子带实现的进制数，M_n取4、8、16和32中的一个值，码元判决单元根据i＝0，1，...，M_n1-1，计算得出相对调频因子δ_ni，码元判决单元根据

i＝0，1，..，M_n2-1，计算得出相对调幅因子ξ_ni，其中M_n1是第n子带频率调制实现的进制数，M_n1取2、4、8或16，M_n2是第n子带幅度调制实现的进制数，M_n2取2、4、8或16，M_n1、M_n2的取值需满足等式M_n＝M_n1×M_n2；码元判决单元将δ_ni、ξ_ni发送给发送运算控制单元；频率幅度判决单元对频率幅度存储单元发送过来的前一码元周期的调制载波频率f^t-T、前一码元周期的调制载波幅度A_t-T分别与设定的参考载波频率f_n、参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元；发送运算控制单元收到码元判决单元的判决结果、频率幅度判决单元的比较结果和频率幅度存储单元的输入后，分别由公式(2)和公式(3)计算当前码元的调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t，发送运算控制单元将调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t运算结果发送给频率幅度存储单元进行存储，同时发送运算控制单元根据调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t控制载波生成单元工作；频率幅度存储单元将发送运算控制单元发送过来的调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一码元数据调制使用；载波生成单元在发送运算控制单元的控制下生成对应频率、对应幅度的载波；无线发射单元将载波生成单元发送过来的载波进行波形放大和滤波平滑后，再用发射子模块将调制信号发射出去；

所述公式(2)为：

$f_t=\left\{\begin{array}{c}{f}_{t-T}+\frac{{2\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{1-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}\≤f_n\\ f_{t-T}-\frac{{2\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{1+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}>f_n\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T代表一个码元周期；f_t是当前时刻t的调制载波频率；

所述公式(3)为：

$A_t=\left\{\begin{array}{c}{A}_{t-T}+\frac{{2\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{1-{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}\≤A_n\\ A_{t-T}-\frac{{2\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{1+{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}>A_n\end{array}\right.---\left(3\right)$

A_n是通信系统第n子带设定的参考载波幅度；A_n的取值由通信双方事先约定；

步骤2，在接收机端，无线接收单元负责接收信号并进行波形放大、A/D转换、带通滤波，然后将滤波后的数字信号发送给频率估计及幅度估计单元；同步单元根据第一子带的信号提取码元同步信息并将码元同步信息发送给各子带的频率估计及幅度估计单元以作解调使用，第一子带的信号为参考载波频率为f₁的子带；频率估计及幅度估计单元根据码元同步信息对无线接收单元发送过来的数据进行一个码元周期内的频率估计和幅度估计，然后将频率估计和幅度估计的结果分别发送给频率幅度存储单元和接收运算控制单元；频率幅度存储单元将频率估计及幅度估计单元发送过来的频率估计和幅度估计结果进行存储以提供给下一码元数据解调使用；接收运算控制单元接收到频率估计及幅度估计单元发送过来的频率估计和幅度估计结果和频率幅度存储单元发送过来的前一码元的频率估计和幅度估计结果之后，根据公式(4)和公式(5)进行运算分别得出接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni；码元判决输出单元在接收运算控制单元的控制下根据接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni进行M_n进制码元判决并将判决结果进行输出；

所述公式(4)为：

$\frac{|f_t^{\′}-f_{t-T}^{\′}|}{f_t^{\′}+f_{t-T}^{\′}}=\frac{|(1+\mathrm{\α})f_t-(1+\mathrm{\α})f_{t-T}|}{(1+\mathrm{\α})f_t+(1+\mathrm{\α})f_{t-T}}=\frac{|f_t-f_{t-T}|}{f_t+f_{t-T}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ni}}---\left(4\right)$

T代表一个码元周期，f′_t代表发送方发出的调制载波频率f_t经频移信道传输后传到接收方的载波频率，f′_t-T代表发送方发出的调制载波频率f_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波频率，γ_ni代表接收端相对调频因子；α是快衰落信道的时变的多普勒频移因子，f′_t和f′_t-T分别表示为(1+α)f_t和(1+α)f_t-T；

所述公式(5)为：

$\frac{|A_t^{\′}-A_{t-T}^{\′}|}{A_t^{\′}+A_{t-T}^{\′}}=\frac{|\mathrm{\λ}{A}_t-\mathrm{\λ}{A}_{t-T}|}{{\mathrm{\λA}}_t+\mathrm{\λ}{A}_{t-T}}=\frac{|A_t-A_{t-T}|}{A_t+A_{t-T}}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{ni}}---\left(5\right)$

A′_t代表发送方发出的调制载波幅度A_t经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，A′_t-T代表发送方发出的调制载波幅度A_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，β_ni代表接收端相对调幅因子；λ_t是快衰落信道的时变的幅度衰减因子，A′_t和A′_t-T分别表示为λA_t和λA_t-T。

一种实现上述方法的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，包括发送机和接收机：所述发送机包括多个码元判决单元、发送运算控制单元、多个载波生成单元、多个无线发射单元、频率幅度存储单元和频率幅度判决单元，其中多个码元判决单元分别与发送运算控制单元的多个输入端连接，多个载波生成单元连接在发送运算控制单元的多个输出端与多个无线发射单元的输入端之间，频率幅度存储单元分别与多个载波生成单元的输入端以及发送运算控制单元连接，频率幅度判决单元分别与频率幅度存储单元与多个发送运算控制单元的输入端连接；

所述接收机包括多个无线接收单元、多个频率估计及幅度估计单元、接收运算控制单元、多个码元判决输出单元、频率幅度存储单元和同步单元，其中多个频率估计及幅度估计单元连接于无线接收单元的多个输出端与接收运算控制单元的多个输入端之间，码元判决输出单元的多个输入端与接收运算控制单元的多个输出端连接，频率幅度存储单元分别与多个频率估计及幅度估计单元的输出端以及接收运算控制单元连接，同步单元分别与无线接收单元以及多个频率估计及幅度估计单元连接。

为进一步实现本发明目的，所述的码元判决单元选用STC51单片机。

所述的所述频率幅度判决单元包括频率比较子模块和幅度比较子模块，选用一块STC51单片机实现；频率比较子模块负责将频率幅度存储单元传输过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T与通信系统第n子带的参考载波频率f_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元；幅度比较子模块负责将频率幅度存储单元传输过来的前一码元周期的调制载波幅度A_t-T与通信系统第n子带的参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元。

所述的所述发送运算控制单元包括运算子模块和控制子模块，选用一块ARM芯片2440和一块DSP芯片TMS 320C6711实现。

所述的载波生成单元由数字频率直接合成子模块构成，选用一块DDS芯片AD9852实现。

所述的所述无线发射单元包括依次连接的波形放大子模块、滤波子模块、发射子模块，波形放大前级用5532芯片、后级用TDA2030芯片实现，滤波子模块用MAX267带通滤波芯片实现，发射子模块根据发射频率选用对应的射频电路。

所述的频率幅度存储单元选用一块flash存储器实现，flash存储器将发送运算控制单元发送过来的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一码元数据调制使用。

所述的无线接收单元包括接收子模块、波形放大子模块、A/D子模块和带通滤波子模块；接收子模块根据相应的接收频率来选定接收电路，接收子模块选用电磁波接收电路或声波接收换能器实现，波形放大子模块前级用5532芯片、后级用TDA2030芯片实现，A/D子模块用AD7705芯片实现，滤波子模块用MAX267带通滤波芯片实现；接收子模块负责接收子带信号，波形放大子模块负责将接收到的波形进行放大以进行正确的A/D转换，A/D子模块负责对波形放大后的模拟信号进行模/数转换，带通滤波子模块负责滤出对应子带的信号并将结果发送给频率估计及幅度估计单元。

所述的接收运算控制单元包括运算子模块和控制子模块，选用一块ARM芯片S3C2440和一块DSP芯片TMS 320C6711实现。

由上述技术方案可知，本发明在数字信号处理技术和高速器件发展的基础上，将直接数字频率合成(DDS)技术和高精度频率估计技术通过硬件结合在一起，充分利用各自的优点，实现高可靠性的抗多普勒频移和抗长时延的通信系统。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、一般的通信系统在发送一长串相同码元的时候，为了在接收端获得同步信息，需要在发射机端用HDB3码或伪随机技术对发送序列进行扰码，这无疑增加了系统的复杂度。而本发明利用相邻码元间的调制载波频率和调制载波幅度的相对跳变来传递信息，所以可以利用载波的跳变作为码元同步信息。本发明在发送机端发送一长串相同码元的时候，接收机端的码元同步也不会出现任何问题。

2、接收机端时钟在有误差情况下可实现自恢复，故本发明非常适用于长时延通信系统的异步通信。

3、频率估计技术较成熟，估计精度高；FFT技术的应用使频率估计速率大大提高，可满足实际通信解调要求；高精度的频率估计在负信噪比的条件下也可进行，故本系统适用于恶劣的通信环境。

4、本发明利用相邻码元的调制载波幅度、调制载波频率等调制参数进行运算来消除多普勒频移，相对于一般的多普勒补偿法，在快衰落环境下，本发明误码率更低，通信质量更好。

5、在接收机端仅使用除法运算作解调而不是通过传统的先信道均衡再解调方式，实现方法较简单，复杂度较低。

6、本系统使用N子带进行通信，并且每一子带可实现不同的M_n进制调制，实现方式灵活，通信容量较大。

附图说明

图1是异步多子带通信系统发送机端的功能图；

图2是异步多子带通信系统发送机端的结构图；

图3是异步多子带通信系统接收机端的功能图；

图4是异步多子带通信系统接收机端的结构图；

图5是异步多子带通信系统频率调制示意图；

图6是发送机端的流程图；

图7是接收机端的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，异步多子带通信系统发送机端的功能模块包括：码元判决模块101、发送运算控制模块102、载波生成模块103、无线发射模块104、频率幅度判决存储模块105。与这些功能模块对应的是异步多子带通信系统发送机端的结构图，如图2所示。

如图2所示，异步多子带通信系统发送机端包括多个码元判决单元201、发送运算控制单元202、多个载波生成单元203、多个无线发射单元204、频率幅度存储单元205和频率幅度判决单元206，其中多个码元判决单元201分别与发送运算控制单元202的多个输入端一一对应连接，多个载波生成单元203一一对应连接在发送运算控制单元202的多个输出端与多个无线发射单元204的输入端之间，频率幅度存储单元205分别与(如图2所示)多个载波生成单元203的输入端以及发送运算控制单元202连接，频率幅度判决单元206分别与(如图2所示)频率幅度存储单元205与多个发送运算控制单元202的输入端连接。

所述码元判决单元201可以选用一块STC51单片机实现。码元判决单元201在发送运算控制单元202的控制下对码元数据进行M_n(M_n表示第n子带实现的进制数，M_n取4，8，16，32中的一个，具体取哪个数值由用户给定)，码元判决单元201根据

(i＝0，1，...，M_n1-1)计算得出相对调频因子δ_ni，码元判决单元201根据

(i＝0，1，..，M_n2-1)计算得出相对调幅因子ξ_ni，其中M_n1是第n子带频率调制实现的进制数(M_n1取2，4，8，16中的一个)，M_n2是第n子带幅度调制实现的进制数(M_n2取2，4，8，16中的一个，具体取哪个数值由用户给定)，M_n1、M_n2的取值需满足等式M_n＝M_n1×M_n2。码元判决单元201将δ_ni、ξ_ni发送给发送运算控制单元202。

所述频率幅度判决单元206包括频率比较子模块和幅度比较子模块，可以选用一块STC51单片机实现。频率比较子模块负责将频率幅度存储单元205传输过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T与通信系统第n子带的参考载波频率f_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元202。幅度比较子模块负责将频率幅度存储单元205传输过来的前一码元周期的调制载波幅度A_t-T与通信系统第n子带的参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元202。

所述发送运算控制单元202包括运算子模块、控制子模块，可以选用一块三星的ARM芯片2440和一块TI的DSP芯片TMS 320C6711实现。运算子模块在接收到码元判决单元201发送过来的相对调频因子δ_ni和相对调幅因子ξ_ni、频率幅度判决单元206发送过来的频率和幅度比较结果、频率幅度存储单元205发送过来的前一码元周期(即t-T时刻)的调制载波频率f_t-T和调制载波幅度A_t-T后，由公式(2)和公式(3)计算当前时刻t的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t，控制子模块将运算结果发送给频率幅度存储单元205并根据运算结果控制载波生成单元203工作以产生特定频率特定幅度的载波。

所述载波生成单元203主要由数字频率直接合成(DDS)子模块构成，可以选用一块AD公司的DDS芯片AD9852实现。用AD9852产生的调制信号具有频率分辨率高(达到10^-6Hz)、频率转换速度快(达到纳秒级)、输出频谱纯等优点。发送运算控制单元202经过运算得到要生成的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t后，发送相应的频率控制字和幅度控制字给载波生成单元203，DDS芯片AD9852在接收到发送运算控制单元202传送过来的频率控制字和幅度控制字之后通过查表可快速生成特定频率特定幅度的载波并输出D/A之后的波形给无线发射单元204。

所述无线发射单元204包括依次连接的波形放大子模块、滤波子模块、发射子模块，波形放大前级用5532芯片、后级用TDA2030芯片实现，滤波子模块可以用MAX267带通滤波芯片实现，发射子模块要根据具体的发射频率来选用对应的射频电路。无线发射单元204将载波生成单元203发送过来的载波进行波形放大和滤波平滑后，再用发射子模块将调制信号无线发射出去。实际应用中发射子模块可用电磁波发射电路或声波发射换能器实现。考虑到资源利用率的问题，一个无线发射单元可以负责多个子带信号的发送，但同时为了避免峰均比过大的问题，一个无线发射单元不宜负责太多子带信号的发送。实践时可根据具体情况来确定一个无线发射单元负责子带信号发送的个数。如选用一个无线发射单元负责两个子带信号的发送。

所述频率幅度存储单元205可以选用一块存储容量较大的flash存储器实现，flash存储器将发送运算控制单元202发送过来的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一码元数据调制使用。

如图3所示，异步多子带通信系统接收机端的功能模块包括：无线接收模块301、频率幅度估计模块302、接收运算控制模块303、码元判决输出模块304、频率幅度存储模块305和同步模块306。与这些功能模块对应的是异步多子带通信系统接收机端的结构图，如图4所示。

如图4所示，异步多子带通信系统接收机端包括多个无线接收单元401、多个频率估计及幅度估计单元402、接收运算控制单元403、多个码元判决输出单元404、频率幅度存储单元405和同步单元406，其中多个频率估计及幅度估计单元402连接于无线接收单元401的多个输出端与接收运算控制单元403的多个输入端之间，码元判决输出单元404的多个输入端与接收运算控制单元403的多个输出端连接，频率幅度存储单元405分别与多个频率估计及幅度估计单元402的输出端以及接收运算控制单元403连接，同步单元406分别与无线接收单元401以及多个频率估计及幅度估计单元402连接。

所述无线接收单元401包括接收子模块、波形放大子模块、A/D子模块和带通滤波子模块，接收子模块要根据相应的接收频率来选定具体的接收电路，波形放大子模块前级用5532芯片、后级用TDA2030芯片实现，A/D子模块可以用AD7705芯片实现，滤波子模块可以用MAX267带通滤波芯片实现。接收子模块负责接收子带信号，波形放大子模块负责将接收到的波形进行放大以进行正确的A/D转换，A/D子模块负责对波形放大后的模拟信号进行模/数转换，带通滤波子模块负责滤出对应子带的信号并将结果发送给频率估计及幅度估计单元402。实际应用中接收子模块可用电磁波接收电路或声波接收换能器实现。由于一个无线发射单元负责两个子带信号的发送，所以相应地一个无线接收单元负责两个子带信号的接收。

所述频率估计及幅度估计单元402包括频率估计子模块和幅度估计子模块，可以选用一块TI的DSP芯片TMS 320C6711实现。频率估计及幅度估计单元402在接收运算控制单元403的控制下对无线接收单元401发送过来的数据进行频率估计和幅度估计，然后将频率估计和幅度估计的结果分别发送给接收运算控制单元403和频率幅度存储单元405。在一个码元周期内，对过采样的信号进行频率估计得到的估计结果可以非常接近CRB界(克拉美-罗界)，即频率估计在一定信噪比下可达到较高的精度。此外，为了消除相邻码元的干扰，还可以使用相邻码元间的联合估计来提高频率估计的精度。

所述接收运算控制单元403包括运算子模块、控制子模块，可以选用一块三星的ARM芯片S3C2440和一块TI的DSP芯片TMS 320C6711实现。运算子模块在接收到频率估计及幅度估计单元402发送过来的载波频率(1+α)f_t和载波幅度λA_t、频率幅度存储单元405发送过来的前一码元周期的载波频率(1+α)f_t-T和载波幅度λA_t-T后，由公式(4)和公式(5)计算当前码元的接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni，控制子模块将运算结果发送给码元判决输出单元404。

所述码元判决输出单元404包括码元判决子模块和码元输出子模块，可以选用一块STC51单片机实现。码元判决子模块在接收运算控制单元403的控制下根据接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni进行M_n(＝M_n1×M_n2)进制码元判决。码元输出子模块根据码元判决子模块的判决结果输出解调后的码元数据。

所述频率幅度存储单元405可以选用一块存储容量较大的flash存储器实现，flash存储器将频率估计及幅度估计单元402发送过来的载波频率(1+α)f_t和载波幅度λA_t进行存储以提供给下一个码元数据解调使用。

所述同步单元406可以用过零检测法实现，具体由放大限幅电路、微分整流电路等组成，可以用LM311芯片、UA741芯片及一台数字频率计实现。同步单元406输入的是经波形放大而还没做A/D转换的模拟载波。由于在一个码元周期内载波的频率是固定的，所以一个码元周期的载波经放大限幅、微分整流后可得到2Tf_t个均匀分布的过零点，只要计算出这2Tf_t个过零点的间隔时间即可得出一个码元周期时间。码元同步是成功解调的一个重要条件，为了获得高精度的码元周期，实践中可分别测量多个码元周期再取其平均值，但考虑到实时性又不宜取得过多，例如可分别测量十个码元周期再取其平均值。

异步多子带频率相对调制示意图如图5所示。由图5可以看出，不同码元的调制载波频率总是在跳变，即使发送机端连续发送相同的码元，接收机端的码元同步也不会出现任何问题，本系统是自同步系统，接收机端时钟在有误差情况下可实现自恢复。

如图6所示，本发明发送机端的流程包括以下步骤：

步骤1、本发明将可用的通信信道带宽划分成一个子带或者多个子带(划分的子带总数记为N，N为整数且N≥1)，每个子带都分别进行频率和幅度的联合异步相对调制。划分成多个子带时，即N≥2时，相邻子带频率留有保护带，保护带大小由公式(1)给出：

$f_{n+1}-f_n>[\frac{1+{\mathrm{\α}}_{\max }}{1-{\mathrm{\α}}_{\max }}\·\frac{\left({1+\mathrm{\δ}}_{n\max }\right)(1+{\mathrm{\δ}}_{n+1\max })}{(1-{\mathrm{\δ}}_{n\max })(1-{\mathrm{\δ}}_{n+1\max })}-1]f_n---\left(1\right)$

，n＝1，L，N-1

其中，α_max是信道中多普勒频移因子的最大值，由实际测量得出；δ_nmax(0＜δ_nmax＜1)是第n子带的最大的相对调频因子，

M_n1是第n子带实现的频率调制进制数(M_n1取4、8、16和32中的一个值，具体取值由用户给定)；f_n是通信系统第n子带设定的参考载波频率，通信双方在约定好第一子带的参考载波频率f₁的大小之后，就可以根据上式算出第二子带参考载波频率f₂，第三子带参考载波频率f₃，…，第N子带参考载波频率f_N的取值。

步骤2、码元判决单元201在发送运算控制单元202的控制下对码元数据进行M_n进制码元判决(M_n表示第n子带实现的进制数，M_n取4、8、16和32中的一个值，具体取值由用户给定)，如用户取定M_n为8。码元判决单元201根据

(i＝0，1，...，M_n1-1)计算得出相对调频因子δ_ni，M_n1是第n子带频率调制实现的进制数(M_n1取4、8、16和32中的一个值)，如用户取定M_n1为4，那么可以算出δ_n0＝1/16，δ_n1＝5/16，δ_n2＝9/16，δ_n3＝13/16。码元判决单元201根据(i＝0，1，..，M_n2-1)计算得出相对调幅因子ξ_ni，M_n2是第n子带幅度调制实现的进制数(M_n2取2、4、8和16中的一个值，具体取值由用户给定)，如用户取定M_n2为2，那么可以算出ξ_n0＝1/4，ξ_n1＝3/4。码元判决单元201将δ_ni(i＝0，1，2，3)、ξ_ni(i＝0，1)发送给发送运算控制单元202。在上述用户取定M_n＝8、M_n1＝4、M_n2＝2(需满足等式M_n＝M_n1×M_n2)的情况下，发送方的码元符号与相对调频因子δ_ni、相对调幅因子ξ_ni的映射关系可以取为：

现假定要发送码元符号6，那么就将δ_ni＝9/16代入公式(2)计算出码元符号6对应的调制载波频率f_t，将ξ_ni＝3/4代入公式(3)计算出码元符号6对应的调制载波幅度A_t。

步骤3、频率幅度判决单元206对频率幅度存储单元205发送过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T与参考载波频率f_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元202。频率幅度判决单元206对频率幅度存储单元205发送过来的前一码元周期的调制载波幅度A_t-T与参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元202。

步骤4、发送运算控制单元202在接收到码元判决单元201发送过来的相对调频因子δ_ni(i＝0，1，2，3)和相对调幅因子ξ_ni(i＝0，1)、频率幅度判决单元206发送过来的频率和幅度比较结果、频率幅度存储单元205发送过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T和调制载波幅度A_t-T后，由公式(2)和公式(3)计算当前时刻的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t，并将运算结果发送给频率幅度存储单元205和载波生成单元203。

所述公式(2)为：

$f_t=\left\{\begin{array}{c}{f}_{t-T}+\frac{{2\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{1-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}\≤f_n\\ f_{t-T}-\frac{{2\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{1+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}>f_n\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T代表一个码元周期；f_n是通信系统第n子带设定的参考载波频率，通信双方在约定好第一子带的参考载波频率f₁的大小之后，就可以根据公式(1)算出第二子带参考载波频率f₂，第三子带参考载波频率f₃，…，第N子带参考载波频率f_N的取值；f_t是当前时刻t的调制载波频率；f_t-T是前一码元周期(即t-T时刻)的调制载波频率。

所述公式(3)为：

$A_t=\left\{\begin{array}{c}{A}_{t-T}+\frac{{2\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{1-{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}\≤A_n\\ A_{t-T}-\frac{{2\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{1+{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}>A_n\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中T代表一个码元周期；A_n是通信系统第n子带设定的参考载波幅度；A_n的取值由通信双方事先约定；A_t是当前时刻t的调制载波幅度；A_t-T是前一码元周期(即t-T时刻)的调制载波幅度。

步骤5、频率幅度存储单元205将发送运算控制单元202发送过来的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一个码元数据调制使用。

步骤6、发送运算控制单元202根据运算得到的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t发送相应的频率控制字和幅度控制字给载波生成单元203。载波生成单元203在接收到发送运算控制单元202传送过来的频率控制字和幅度控制字之后通过查表快速生成特定频率特定幅度的载波并输出D/A之后的波形给无线发射单元204。

步骤7、无线发射单元204将载波生成单元203发送过来的载波进行波形放大和滤波平滑后，再将已调信号发送出去。考虑到资源利用率的问题，一个无线发射单元可以负责多个子带信号的发送，但同时为了避免峰均比过大的问题，一个无线发射单元不宜负责太多子带信号的发送。实践时可根据具体情况来确定一个无线发射单元负责子带信号发送的个数。如本实施方式中一个无线发射单元负责两个子带信号的发送。

如图7所示，本发明接收机端的流程包括以下步骤：

步骤1、无线接收单元401负责接收信号并进行波形放大、A/D转换和带通滤波，然后将结果发送给同步单元406和频率估计及幅度估计单元402。由于一个无线发射单元负责两个子带信号的发送，所以相应地一个无线接收单元负责两个子带信号的接收。

步骤2、同步单元406对无线接收单元401发送过来的数据进行处理，根据第一子带的相邻码元的跳变提取同步信息，然后将这些同步信息发送给频率估计及幅度估计单元402。

步骤3、频率估计及幅度估计单元402在接收运算控制单元403的控制下根据同步单元406发送过来的同步信息对无线接收单元401发送过来的数据进行频率估计和幅度估计，然后将频率估计和幅度估计的结果分别发送给接收运算控制单元403和频率幅度存储单元405。

步骤4、频率幅度存储单元405将前一码元的频率估计结果和幅度估计结果发送给接收运算控制单元403，然后将频率估计及幅度估计单元402发送过来的载波频率(1+α)f_t和载波幅度λA_t进行存储以提供给下一个码元数据解调使用。

步骤5、接收运算控制单元403在接收到频率估计及幅度估计单元402发送过来的载波频率(1+α)f_t和载波幅度λA_t、频率幅度存储单元405发送过来的前一码元周期的载波频率(1+α)f_t-T和载波幅度λA_t-T后，由公式(4)和公式(5)计算得出当前码元的接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni，将运算结果发送给码元判决输出单元404。用户取定M_n＝8、M_n1＝4、M_n2＝2的情况下，如果发送码元符号6，接收端解调无误的话，那么可以解调得出γ_ni＝9/16以及β_ni＝3/4。

所述公式(4)为：

$\frac{|f_t^{\′}-f_{t-T}^{\′}|}{f_t^{\′}+f_{t-T}^{\′}}=\frac{|(1+\mathrm{\α})f_t-(1+\mathrm{\α})f_{t-T}|}{(1+\mathrm{\α})f_t+(1+\mathrm{\α})f_{t-T}}=\frac{|f_t-f_{t-T}|}{f_t+f_{t-T}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ni}}---\left(4\right)$

上式中T也是代表一个码元周期，f′_t代表发送方发出的调制载波频率f_t(见公式(2))经频移信道传输后传到接收方的载波频率，f′_t-T代表发送方发出的调制载波频率f_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波频率，γ_ni(0＜γ_ni＜1)代表接收端相对调频因子。α是快衰落信道的时变的多普勒频移因子，因为在高速率通信中码元周期T持续时间很短，相邻码元受到频移信道的影响大致是恒定的，因此可以认为相邻码元的多普勒频移因子相同，所以f′_t和f′_t-T可分别表示为(1+α)f_t和(1+α)f_t-T。由公式(4)可见多普勒偏移对本系统产生的影响被消除了。

所述公式(5)为：

$\frac{|A_t^{\′}-A_{t-T}^{\′}|}{A_t^{\′}+A_{t-T}^{\′}}=\frac{|\mathrm{\λ}{A}_t-\mathrm{\λ}{A}_{t-T}|}{{\mathrm{\λA}}_t+\mathrm{\λ}{A}_{t-T}}=\frac{|A_t-A_{t-T}|}{A_t+A_{t-T}}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{ni}}---\left(5\right)$

上式中T也是代表一个码元周期，A′_t代表发送方发出的调制载波幅度A_t经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，A′_t-T代表发送方发出的调制载波幅度A_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，β_ni(0＜β_ni＜1)代表接收端相对调幅因子。λ_t是快衰落信道的时变的幅度衰减因子，因为在高速率通信中码元周期T持续时间很短，相邻码元受到频移信道的影响大致是恒定的，因此可以认为相邻码元的幅度衰减因子相同，所以A′_t和A′_t-T可分别表示为λA_t和λA_t-T。由公式(5)可见快衰落信道对本系统产生的影响被消除了。

步骤6、码元判决输出单元404在接收运算控制单元403的控制下根据接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni进行M_n(＝M_n1×M_n2)进制码元判决并输出解调后的数据。因为在步骤4中解调得出γ_ni＝9/16以及β_ni＝3/4，那么根据接收方的码元符号与接收端相对调频因子γ_ni、接收端相对调幅因子β_ni的映射关系：

可知发送的码元符号是6。

Claims (10)

1.一种异步多子带频率及幅度联合调制数字通信方法，其特征在于：将通信信道带宽划分成一个子带或者多个子带，划分的子带总数记为N，N为整数且N≥1；划分成多个子带时，N≥2，相邻子带频率留有保护带，保护带大小需满足公式（1）：

$f_{n+1}-f_n>[\frac{1+{\mathrm{\α}}_{\max }}{1-{\mathrm{\α}}_{\max }}\·\frac{(1+{\mathrm{\δ}}_{n\max })(1+{\mathrm{\δ}}_{n+1\max })}{(1-{\mathrm{\δ}}_{n\max })(1-{\mathrm{\δ}}_{n+1\max })}-1]f_n---\left(1\right)$

n=1,...,N-1

其中，α_max是信道中多普勒频移因子的最大值，由实际测量得出；δ_nmax是第n子带的最大的相对调频因子，0<δ_nmax<1；

M_n1是第n子带实现的频率调制进制数，M_n1取2、4、8和16中的一个值；f_n是通信系统第n子带设定的参考载波频率，通信双方在约定好第一子带的参考载波频率f₁的大小之后，根据公式（1）算出第二子带参考载波频率f₂，第三子带参考载波频率f₃，…，第N子带参考载波频率f_N的取值；

每个子带都进行频率和幅度的联合异步相对调制；对于任意一个子带的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信方法，包括以下步骤：

步骤1，在发射机端，码元判决单元在发送运算控制单元的控制下对码元数据进行M_n进制码元判决，M_n表示第n子带实现的进制数，M_n取4、8、16和32中的一个值，码元判决单元根据

i=0,1,...,M_n1-1，计算得出相对调频因子δ_ni,码元判决单元根据

i=0,1,...,M_n2-1，计算得出相对调幅因子ξ_ni，其中M_n1是第n子带频率调制实现的进制数，M_n1取2、4、8或16，M_n2是第n子带幅度调制实现的进制数，M_n2取2、4、8或16，M_n1、M_n2的取值需满足等式M_n=M_n1×M_n2；码元判决单元将δ_ni、ξ_ni发送给发送运算控制单元；频率幅度判决单元对频率幅度存储单元发送过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T、前一码元周期的调制载波幅度A_t-T分别与设定的参考载波频率f_n、参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元；发送运算控制单元收到码元判决单元的判决结果、频率幅度判决单元的比较结果和频率幅度存储单元的输入后，分别由公式（2）和公式（3）计算当前码元的调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t，发送运算控制单元将调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t运算结果发送给频率幅度存储单元进行存储，同时发送运算控制单元根据调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t控制载波生成单元工作；频率幅度存储单元将发送运算控制单元发送过来的调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一码元数据调制使用；载波生成单元在发送运算控制单元的控制下生成对应频率、对应幅度的载波；无线发射单元将载波生成单元发送过来的载波进行波形放大和滤波平滑后，再用发射子模块将调制信号发射出去；

所述公式（2）为：

$f_t=\left\{\begin{array}{c}{f}_{t-T}+\frac{2{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ni}}}{1-{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}\&le;f_n\\ f_{t-T}-\frac{2{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ni}}}{1+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}>f_n\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T代表一个码元周期；f_t是当前时刻t的调制载波频率；

所述公式（3）为：

$A_t=\left\{\begin{array}{c}{A}_{t-T}+\frac{2{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{ni}}\mathrm{}}{1-{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}\&le;A_n\\ A_{t-T}-\frac{2{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{ni}}}{1+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}>A_n\end{array}\right.---\left(3\right)$

A_n是通信系统第n子带设定的参考载波幅度；A_n的取值由通信双方事先约定；

步骤2，在接收机端，无线接收单元负责接收信号并进行波形放大、A/D转换、带通滤波，然后将滤波后的数字信号发送给频率估计及幅度估计单元；同步单元根据第一子带的信号提取码元同步信息并将码元同步信息发送给各子带的频率估计及幅度估计单元以作解调使用，第一子带的信号为参考载波频率为f₁的子带；频率估计及幅度估计单元根据码元同步信息对无线接收单元发送过来的数据进行一个码元周期内的频率估计和幅度估计，然后将频率估计和幅度估计的结果分别发送给频率幅度存储单元和接收运算控制单元；频率幅度存储单元将频率估计及幅度估计单元发送过来的频率估计和幅度估计结果进行存储以提供给下一码元数据解调使用；接收运算控制单元接收到频率估计及幅度估计单元发送过来的频率估计和幅度估计结果和频率幅度存储单元发送过来的前一码元的频率估计和幅度估计结果之后，根据公式（4）和公式（5）进行运算分别得出接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni；码元判决输出单元在接收运算控制单元的控制下根据接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni进行M_n进制码元判决并将判决结果进行输出；

所述公式（4）为：

$\frac{|f_t^{\&prime;}-f_{t-T}^{\&prime;}|}{f_t^{\&prime;}+f_{t-T}^{\&prime;}}=\frac{|(1+\mathrm{\&alpha;})f_t-(1+\mathrm{\&alpha;})f_{t-T}|}{(1+\mathrm{\&alpha;})f_t+(1+\mathrm{\&alpha;})f_{t-T}}=\frac{|f_t-f_{t-T}|}{f_t+f_{t-T}}={\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ni}}---\left(4\right)$

T代表一个码元周期,f′_t代表发送方发出的调制载波频率f_t经频移信道传输后传到接收方的载波频率,f′_t-T代表发送方发出的调制载波频率f_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波频率，γ_ni代表接收端相对调频因子；α是快衰落信道的时变的多普勒频移因子,f′_t和f′_t-T分别表示为(1+α)f_t和(1+α)f_t-T；

所述公式（5）为：

$\frac{|A_t^{\&prime;}-A_{t-T}^{\&prime;}|}{A_t^{\&prime;}+A_{t-T}^{\&prime;}}=\frac{|\mathrm{\&lambda;}{A}_t-\mathrm{\&lambda;}{A}_{t-T}|}{\mathrm{\&lambda;}{A}_t+\mathrm{\&lambda;}{A}_{t-T}}=\frac{|A_t-A_{t-T}|}{A_t+A_{t-T}}={\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ni}}---\left(5\right)$

A′_t代表发送方发出的调制载波幅度A_t经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，A′_t-T代表发送方发出的调制载波幅度A_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，β_ni代表接收端相对调幅因子；λ是快衰落信道的时变的幅度衰减因子,A′_t和A′_t-T分别表示为λA_t和λA_t-T。

2.一种实现权利要求1所述方法的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，包括发送机和接收机，其特征在于：所述发送机包括多个码元判决单元、发送运算控制单元、多个载波生成单元、多个无线发射单元、频率幅度存储单元和频率幅度判决单元，其中多个码元判决单元分别与发送运算控制单元的多个输入端连接，多个载波生成单元连接在发送运算控制单元的多个输出端与多个无线发射单元的输入端之间，频率幅度存储单元分别与多个载波生成单元的输入端以及发送运算控制单元连接，频率幅度判决单元分别与频率幅度存储单元与多个发送运算控制单元的输入端连接；

所述接收机包括多个无线接收单元、多个频率估计及幅度估计单元、接收运算控制单元、多个码元判决输出单元、频率幅度存储单元和同步单元，其中多个频率估计及幅度估计单元连接于无线接收单元的多个输出端与接收运算控制单元的多个输入端之间，码元判决输出单元的多个输入端与接收运算控制单元的多个输出端连接，频率幅度存储单元分别与多个频率估计及幅度估计单元的输出端以及接收运算控制单元连接，同步单元分别与无线接收单元以及多个频率估计及幅度估计单元连接。

3.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的码元判决单元选用STC51单片机。

4.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的所述频率幅度判决单元包括频率比较子模块和幅度比较子模块，选用一块STC51单片机实现；频率比较子模块负责将频率幅度存储单元传输过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T与通信系统第n子带的参考载波频率f_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元；幅度比较子模块负责将频率幅度存储单元传输过来的前一码元周期的调制载波幅度A_t-T与通信系统第n子带的参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元。

5.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的所述发送运算控制单元包括运算子模块和控制子模块，选用一块ARM芯片2440和一块DSP芯片TMS320C6711实现。

6.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的载波生成单元由数字频率直接合成子模块构成，选用一块DDS芯片AD9852实现。

7.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的所述无线发射单元包括依次连接的波形放大子模块、滤波子模块、发射子模块，波形放大前级用5532芯片、后级用TDA2030芯片实现，滤波子模块用MAX267带通滤波芯片实现，发射子模块根据发射频率选用对应的射频电路。

8.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的频率幅度存储单元选用一块flash存储器实现，flash存储器将发送运算控制单元发送过来的调制载波频率f_t和调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一码元数据调制使用。

9.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的无线接收单元包括接收子模块、波形放大子模块、A/D子模块和带通滤波子模块；接收子模块根据相应的接收频率来选定接收电路，接收子模块选用电磁波接收电路或声波接收换能器实现，波形放大子模块前级用5532芯片、后级用TDA2030芯片实现，A/D子模块用AD7705芯片实现，滤波子模块用MAX267带通滤波芯片实现；接收子模块负责接收子带信号，波形放大子模块负责将接收到的波形进行放大以进行正确的A/D转换，A/D子模块负责对波形放大后的模拟信号进行模/数转换，带通滤波子模块负责滤出对应子带的信号并将结果发送给频率估计及幅度估计单元。

10.根据权利要求2所述的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统，其特征在于：所述的接收运算控制单元包括运算子模块和控制子模块，选用一块ARM芯片S3C2440和一块DSP芯片TMS320C6711实现。

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